林火監(jiān)測(cè)技術(shù)分析與綜合應(yīng)用

● 文 |天津航天中為數(shù)據(jù)系統(tǒng)科技有限公司 伍小潔 陳利明 張潔 燕正亮

林火監(jiān)測(cè)技術(shù)分析與綜合應(yīng)用

● 文 |天津航天中為數(shù)據(jù)系統(tǒng)科技有限公司 伍小潔 陳利明 張潔 燕正亮

林火具有隨機(jī)發(fā)生、擴(kuò)展迅速、難以受控的特點(diǎn)，易造成林業(yè)資源損失慘重，進(jìn)而影響生態(tài)更替和氣候變化。伴隨著全球氣候變暖及人類活動(dòng)的加劇，與林火發(fā)生頻次成正相關(guān)趨勢(shì)，全球林業(yè)資源受到林火威脅的形勢(shì)越來越嚴(yán)峻。提高監(jiān)測(cè)水平，有助于盡早探測(cè)起火點(diǎn)坐標(biāo)，明確林火態(tài)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)全程監(jiān)視林火從發(fā)生、發(fā)展到熄滅的整個(gè)過程，把林火引起的災(zāi)難降到最低。按照林火監(jiān)測(cè)手段所處的空間位置可以分為衛(wèi)星監(jiān)測(cè)、航空監(jiān)測(cè)、近地面監(jiān)測(cè)和地面巡護(hù)四種方式，這四種方式交叉貫徹在林火監(jiān)測(cè)的各個(gè)時(shí)間階段。

一、林火監(jiān)測(cè)技術(shù)及特點(diǎn)

1. 衛(wèi)星監(jiān)測(cè)技術(shù)及特點(diǎn)

衛(wèi)星基于先進(jìn)的成像設(shè)備，通過對(duì)3S（遙感系統(tǒng)、地理信息系統(tǒng)、全球定位系統(tǒng)）技術(shù)的綜合應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了衛(wèi)星對(duì)地的監(jiān)測(cè)。物體的溫度高低與其發(fā)出的紅外波長(zhǎng)有密切的關(guān)系，而當(dāng)林火發(fā)生時(shí)，其高溫輻射的波長(zhǎng)（3.7μm左右）與周圍植被具有明顯的差異。運(yùn)用遙感衛(wèi)星進(jìn)行掃描，通過衛(wèi)星地球站接收掃描信息，利用計(jì)算機(jī)技術(shù)識(shí)別出紅外熱點(diǎn)，結(jié)合地理信息系統(tǒng)對(duì)熱點(diǎn)進(jìn)行定位，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)森林火災(zāi)的衛(wèi)星監(jiān)控。

衛(wèi)星監(jiān)測(cè)的周期由多顆衛(wèi)星對(duì)地的重訪周期共同決定。當(dāng)前用于林火監(jiān)測(cè)的衛(wèi)星有我國(guó)的環(huán)境系列、風(fēng)云系列衛(wèi)星，美國(guó)NOAA系列、EOS/ MODIS地球觀測(cè)衛(wèi)星。風(fēng)云系列衛(wèi)星與NOAA衛(wèi)星同屬于近極軌太陽(yáng)同步衛(wèi)星，其監(jiān)測(cè)周期為6h；EOS衛(wèi)星1天內(nèi)對(duì)同一地點(diǎn)掃描2次，其監(jiān)測(cè)周期為12h；通過接收和處理我國(guó)風(fēng)云系列、美國(guó)NOAA系列和EOS系列等衛(wèi)星數(shù)據(jù)，對(duì)全國(guó)森林火災(zāi)進(jìn)行多時(shí)段、全方位監(jiān)測(cè)，大部分地區(qū)一天監(jiān)測(cè)覆蓋達(dá)到8～10次，時(shí)間覆蓋率平均一次2～3h。

衛(wèi)星監(jiān)測(cè)星下點(diǎn)分辨率與衛(wèi)星本身有很大關(guān)系。NOAA系列衛(wèi)星星下點(diǎn)分辨率約1.1km，每條軌道的平均掃描寬度約2700km，適合林區(qū)森林火災(zāi)的宏觀監(jiān)測(cè)。EOS系列衛(wèi)星在軌運(yùn)行的有TERRA和AQUA，掃描寬度2330km，其分辨率有250m、500m和1000m。我國(guó)于2008年發(fā)射了環(huán)境減災(zāi)一號(hào)衛(wèi)星（HJ）A、B星，其中HJ-1B衛(wèi)星搭載的可見/紅外遙感儀對(duì)地空間分辨率為150m，第3通道T3對(duì)地表高溫具有較高的敏感性，與T4結(jié)合用于火點(diǎn)監(jiān)測(cè)，可發(fā)揮較好的監(jiān)測(cè)效果。隨著我國(guó)高分辨率衛(wèi)星的發(fā)射，衛(wèi)星的星下點(diǎn)分辨率會(huì)大大提升。

衛(wèi)星運(yùn)行軌道高，環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)。其不受所探測(cè)區(qū)域地形、自然條件、晝夜因素和風(fēng)的影響。但用于林火監(jiān)測(cè)衛(wèi)星的傳感器所選波段為可見光和紅外波段，該波段不具備穿透較厚云層進(jìn)行云下高溫?zé)彷椛淠芰?，因此容易受到云霧的遮擋，不適合陰、霧、霾、雨、雪的天氣環(huán)境。

利用衛(wèi)星進(jìn)行林火監(jiān)測(cè)時(shí)，林區(qū)多采用購(gòu)買衛(wèi)星影像的形式進(jìn)行。對(duì)于林火監(jiān)測(cè)的衛(wèi)星屬于低分辨率衛(wèi)星，一般按景收費(fèi)，價(jià)位在千元左右。林區(qū)多進(jìn)行長(zhǎng)期購(gòu)買數(shù)據(jù)，因此長(zhǎng)期而言運(yùn)行成本較高。

2. 航空監(jiān)測(cè)技術(shù)及特點(diǎn)

航空監(jiān)測(cè)是基于航空平臺(tái)的機(jī)載能力搭載林火探測(cè)設(shè)備，如可見光傳感器、紅外傳感器和激光測(cè)距儀等實(shí)現(xiàn)對(duì)地動(dòng)態(tài)有序觀測(cè)成像。航空平臺(tái)分為有人機(jī)平臺(tái)和無人機(jī)平臺(tái)。有人機(jī)平臺(tái)主要是指有人直升機(jī)和固定翼飛機(jī)，有人直升機(jī)的定點(diǎn)懸停和起降場(chǎng)地要求較低的優(yōu)勢(shì)，使其成為航空監(jiān)測(cè)的主力?，F(xiàn)役無人機(jī)平臺(tái)則種類多樣，有多旋翼無人機(jī)、固定翼無人機(jī)和無人直升機(jī)等多種型號(hào)。2013年6月，在內(nèi)蒙古大興安嶺林區(qū)根河航空護(hù)林站，天津航天中為數(shù)據(jù)系統(tǒng)科技有限公司利用我國(guó)自主研發(fā)的Z5大型無人直升機(jī)搭載光電吊艙，進(jìn)行了林火監(jiān)測(cè)的首次飛行，標(biāo)志著我國(guó)無人機(jī)系統(tǒng)首次應(yīng)用林業(yè)。

航空監(jiān)測(cè)的周期與林區(qū)監(jiān)測(cè)計(jì)劃及天氣狀況有關(guān)。航空監(jiān)測(cè)手段反應(yīng)迅速，在符合條件情況下有人機(jī)和無人機(jī)都可實(shí)現(xiàn)定期監(jiān)測(cè)和應(yīng)急實(shí)施監(jiān)測(cè)。進(jìn)行定期監(jiān)測(cè)時(shí)，航空手段一般以天為單位。

航空監(jiān)測(cè)手段所采集影像的分辨率與平臺(tái)飛行高度和傳感器自身屬性有關(guān)。有人飛機(jī)載荷能力比無人機(jī)優(yōu)越，能夠搭載的高性能可見光、紅外和多光譜等吊艙，搭載的傳感器差別導(dǎo)致對(duì)地分辨率有所側(cè)重。飛行平臺(tái)作業(yè)高度在千米左右，可見光分辨率在分米級(jí)，紅外分辨率優(yōu)于1m，但隨著傳感器性能的提升，級(jí)集成小型化，分辨率會(huì)越來越高。

航空監(jiān)測(cè)手段具有機(jī)動(dòng)靈活、可選平臺(tái)多樣、載荷可快速換裝和升級(jí)、定位準(zhǔn)確、監(jiān)測(cè)范圍和飛行高度可按需實(shí)施等優(yōu)點(diǎn)。飛行平臺(tái)進(jìn)行任務(wù)作業(yè)時(shí)，對(duì)林區(qū)地形、自然條件和天氣狀況有一定的要求；飛行平臺(tái)不能在超過本身抗風(fēng)、抗雨雪能力的環(huán)境中作業(yè)；同時(shí)飛行平臺(tái)的夜間飛行能力有限，并且受制于載荷的夜間成像能力；無人機(jī)可避免人員傷亡，可安排在危險(xiǎn)區(qū)域進(jìn)行作業(yè)，同時(shí)起降場(chǎng)地要求依據(jù)平臺(tái)的類型的不同而差別巨大，如中大型固定翼無人機(jī)起降跑道要求較高，而中大型無人機(jī)直升機(jī)則相對(duì)較低，小型旋翼無人機(jī)無特別的起降場(chǎng)地要求。

航空監(jiān)測(cè)平臺(tái)及配套系統(tǒng)既可以通過租賃也可以通過購(gòu)買的方式進(jìn)行實(shí)施。有人機(jī)的價(jià)格和保養(yǎng)都比較昂貴，操作復(fù)雜，對(duì)安全技術(shù)要求高，造成了使用成本很高。無人機(jī)平臺(tái)多樣化，價(jià)位從數(shù)千元到百萬元之間，有較多的選擇空間。無人機(jī)整體采購(gòu)費(fèi)用相對(duì)較低、操控簡(jiǎn)單、后期維護(hù)費(fèi)用少、但可靠性和勤務(wù)性有待繼續(xù)提高。從整機(jī)使用壽命、頻次和人力成本而言，無人機(jī)使用成本比衛(wèi)星和有人機(jī)低很多。隨著多旋翼無人機(jī)產(chǎn)品載荷能力、飛行性能及飛控半徑的增加，低成本及機(jī)動(dòng)靈活的特點(diǎn)逐漸在森林監(jiān)測(cè)中得到應(yīng)用。

3. 近地面監(jiān)測(cè)技術(shù)及特點(diǎn)

近地面觀測(cè)主要有瞭望觀察和遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控兩種形式。瞭望觀察是瞭望員在塔臺(tái)上通過肉眼或望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行環(huán)繞查看，用定位儀確定方位，在地形圖上定位火場(chǎng)地理坐標(biāo)、森林資源分布以及林相情況。遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控基于互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、視頻監(jiān)控技術(shù)及GIS技術(shù)的日臻成熟，利用可見光和紅外傳感器對(duì)特定區(qū)域進(jìn)行視頻采集。

近地面監(jiān)測(cè)的周期受觀測(cè)主體本身的主觀性影響。瞭望觀察者主要在白天活動(dòng)，在瞭望臺(tái)上通過望遠(yuǎn)鏡在可視范圍內(nèi)對(duì)林地進(jìn)行不間斷瞭望，一般為小時(shí)級(jí)巡視監(jiān)控；遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控可以進(jìn)行24小時(shí)不間斷的數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控，并且支持視頻存儲(chǔ)和回放，也需要人進(jìn)行干預(yù)。

近地面監(jiān)測(cè)的分辨率與監(jiān)測(cè)手段的觀測(cè)距離相關(guān)。瞭望臺(tái)主要采用巡檢員手持望遠(yuǎn)鏡，進(jìn)行約7km半徑內(nèi)的監(jiān)測(cè)；遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控采用可見光和紅外傳感器，在無人值守的環(huán)境監(jiān)測(cè)、災(zāi)害撲救等特殊領(lǐng)域，其有效監(jiān)控半徑約10km。二者分辨率隨觀測(cè)距離的增加而降低，在近處1km處的分辨率達(dá)到分米級(jí)，在邊界7km處的分辨率在米級(jí)。

近地面監(jiān)測(cè)手段依賴于基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，因此會(huì)受到地形地勢(shì)、自然條件的影響，偏遠(yuǎn)、陡峭和危險(xiǎn)地帶很少進(jìn)行基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，在氣候條件惡劣的高溫、高寒、雨雪霧霾等天氣不易進(jìn)行監(jiān)測(cè)。瞭望臺(tái)和遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控需要建立一定高度的塔臺(tái)，但地形地物的遮擋還可能延誤最佳探火和滅火時(shí)機(jī)。

近地面監(jiān)測(cè)要求點(diǎn)多面廣，需要基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)。瞭望臺(tái)需要每隔一定距離進(jìn)行布設(shè)，瞭望臺(tái)的建設(shè)對(duì)選址、建設(shè)高度和通信設(shè)施有較高的要求，單個(gè)瞭望臺(tái)成本達(dá)到數(shù)萬元。遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控的硬件投入與通信投入占據(jù)較大成本，末端的監(jiān)控中心建設(shè)也需要一定量的投入，信息傳輸體系建設(shè)成本高、維護(hù)難度大。

4. 地面巡護(hù)及特點(diǎn)

地面巡護(hù)是由護(hù)林員利用各種交通工具在分管的責(zé)任區(qū)內(nèi)進(jìn)行巡邏，發(fā)現(xiàn)火情及時(shí)報(bào)告，同時(shí)還要檢查監(jiān)督來往行人和車輛遵守防火制度，檢查生產(chǎn)用火和生活用火的火源情況等，防止引起火災(zāi)。

地面巡護(hù)用在防火期或火災(zāi)敏感區(qū)域，減少人為引起的森林火災(zāi)，并可及時(shí)發(fā)現(xiàn)火情和撲滅火源，其監(jiān)測(cè)周期通常與人類在森林中的活動(dòng)相匹配，故監(jiān)測(cè)周期隨機(jī)性強(qiáng)，不具備定期觀測(cè)能力。

地面巡護(hù)工作量較大，人員處于森林底層，視線遮擋嚴(yán)重，觀察范圍有限。其觀測(cè)分辨率為肉眼分辨能力，一般在分米到米級(jí)水平。

地面巡護(hù)環(huán)境適應(yīng)性差，僅適合特定區(qū)域特定路線下的巡視，在確定火災(zāi)位置上常因地形地勢(shì)崎嶇、森林茂密而出現(xiàn)較大位置偏差，并且地域偏遠(yuǎn)、交通不便的林區(qū)無法開展地面巡邏工作。

此外，地面巡護(hù)需花費(fèi)大量人力資源，且人身安全不能保證，成本較高，現(xiàn)已成為輔助手段。

二、多平臺(tái)林火監(jiān)測(cè)

為彌補(bǔ)現(xiàn)有單一監(jiān)測(cè)技術(shù)的不足，發(fā)揮各自優(yōu)勢(shì)，已開展了多平臺(tái)林火監(jiān)測(cè)和基于物聯(lián)網(wǎng)的智能林火監(jiān)測(cè)技術(shù)的研究。

1. 多平臺(tái)林火監(jiān)測(cè)

多平臺(tái)林火監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的建設(shè)思想是將每一種林火監(jiān)測(cè)技術(shù)都看成是一個(gè)智能體，每種林火監(jiān)測(cè)平臺(tái)都可以獨(dú)立完成自己的監(jiān)測(cè)任務(wù)，采用集中式結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)多平臺(tái)林火監(jiān)測(cè)協(xié)同應(yīng)用，具體實(shí)現(xiàn)方式如圖1所示。

（1）每種林火監(jiān)測(cè)平臺(tái)都作為一個(gè)智能體，有其獨(dú)立處理事務(wù)的能力，可感知森林火場(chǎng)環(huán)境，彼此數(shù)據(jù)保存于各個(gè)獨(dú)立的監(jiān)測(cè)平臺(tái)系統(tǒng)中，只能在林火管理中心調(diào)用。

（2）上述數(shù)據(jù)和命令都通過網(wǎng)絡(luò)通信來實(shí)現(xiàn)傳輸。

（3）地理信息系統(tǒng)和專家系統(tǒng)綜合起來構(gòu)建一個(gè)林火管理中心，負(fù)責(zé)接收不同平臺(tái)傳輸來的數(shù)據(jù)，依據(jù)情況對(duì)各個(gè)林火監(jiān)測(cè)平臺(tái)發(fā)送監(jiān)測(cè)命令。

（4）由于各種監(jiān)測(cè)平臺(tái)各有其特點(diǎn)，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)也各不相同，各種數(shù)據(jù)互為補(bǔ)充，便于林火管理中心綜合考慮、按需調(diào)用。

此系統(tǒng)在廣東省韶關(guān)市仁化縣紅山鎮(zhèn)進(jìn)行林火現(xiàn)場(chǎng)點(diǎn)燒試驗(yàn)。試驗(yàn)中氣象衛(wèi)星監(jiān)測(cè)平臺(tái)負(fù)責(zé)在宏觀方面識(shí)別出森林火災(zāi)熱點(diǎn)；無人機(jī)監(jiān)測(cè)平臺(tái)利用機(jī)載數(shù)碼攝像機(jī)從空中連續(xù)拍攝火場(chǎng)燃燒狀況，以便了解火場(chǎng)位置和發(fā)展態(tài)勢(shì)；無線射頻傳感器通過各節(jié)點(diǎn)實(shí)時(shí)采集紅外線強(qiáng)度、溫度和相對(duì)濕度數(shù)據(jù)，以便了解火場(chǎng)內(nèi)部燃燒狀況；自動(dòng)氣象站則設(shè)置于火場(chǎng)邊緣地區(qū)，每分鐘采集記錄一次火場(chǎng)溫度、相對(duì)濕度、風(fēng)速、風(fēng)向，從而獲取火場(chǎng)周遭的氣象環(huán)境狀況。

結(jié)果表明，多平臺(tái)林火監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)火場(chǎng)多方位的描述和監(jiān)測(cè)技術(shù)間的技術(shù)互補(bǔ)，為林火現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)提供了新的思路和辦法。

2. 智能林火監(jiān)測(cè)

基于物聯(lián)網(wǎng)的智能林火監(jiān)測(cè)系統(tǒng)集成多種林火監(jiān)測(cè)平臺(tái)，每種監(jiān)測(cè)平臺(tái)是具有獨(dú)立處理事務(wù)的智能體，每種監(jiān)測(cè)平臺(tái)依據(jù)自身平臺(tái)的特點(diǎn)獲取和處理相關(guān)的林火信息及數(shù)據(jù)，這些信息和數(shù)據(jù)以服務(wù)的方式提供給指揮中心管理平臺(tái)，管理平臺(tái)再根據(jù)用戶的需要對(duì)各個(gè)監(jiān)測(cè)平臺(tái)進(jìn)行操作。智能林火監(jiān)測(cè)的物聯(lián)網(wǎng)構(gòu)建如圖2所示。

（1）感知層是物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)，負(fù)責(zé)探測(cè)和搜集森林火災(zāi)及林火相關(guān)因子的狀況。

（2）網(wǎng)絡(luò)層是物聯(lián)網(wǎng)的橋梁，負(fù)責(zé)各類監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及上層平臺(tái)之間的交互聯(lián)系。

（3）應(yīng)用層是物聯(lián)網(wǎng)的終端，負(fù)責(zé)為用戶提供具體的林火監(jiān)測(cè)應(yīng)用服務(wù)。

將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于林火監(jiān)測(cè)，結(jié)合地面感知傳感器、遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控和無人機(jī)監(jiān)測(cè)進(jìn)行結(jié)合，解決林火監(jiān)測(cè)方式之間相互獨(dú)立、數(shù)據(jù)難以共享的問題，實(shí)現(xiàn)了智能林火監(jiān)測(cè)。所建系統(tǒng)通過遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控前端發(fā)現(xiàn)火情并報(bào)警后，將啟動(dòng)無人機(jī)到達(dá)火點(diǎn)上方盤旋，將火點(diǎn)現(xiàn)場(chǎng)的圖像資料傳回指揮中心的客戶端，周圍的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)則時(shí)刻收集當(dāng)前的各種氣象及林火因子數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)將作為現(xiàn)場(chǎng)火情狀態(tài)監(jiān)視及火災(zāi)撲救的重要參考依據(jù)。該物聯(lián)網(wǎng)智能林火監(jiān)測(cè)平臺(tái)已經(jīng)在廣東和山東等地投入使用。

三、結(jié)論

多平臺(tái)林火監(jiān)測(cè)和智能林火監(jiān)測(cè)都有效利用多平臺(tái)的優(yōu)勢(shì)，然而多平臺(tái)林火監(jiān)測(cè)并未達(dá)到不同監(jiān)測(cè)手段間的數(shù)據(jù)共享。未來的林火監(jiān)測(cè)應(yīng)充分利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)天空地技術(shù)上的互聯(lián)互通，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，提高林火監(jiān)測(cè)能力，建設(shè)智慧林火監(jiān)測(cè)體系。

利用衛(wèi)星監(jiān)測(cè)面廣的優(yōu)勢(shì)，結(jié)合氣象衛(wèi)星進(jìn)行林區(qū)火險(xiǎn)預(yù)報(bào)；利用航空監(jiān)測(cè)手段的機(jī)動(dòng)性強(qiáng)、分辨率高和準(zhǔn)確性高的特點(diǎn)，進(jìn)行火場(chǎng)探測(cè)、火場(chǎng)識(shí)別、火點(diǎn)定位以及火場(chǎng)態(tài)勢(shì)；利用航空平臺(tái)結(jié)合通信衛(wèi)星進(jìn)行遠(yuǎn)距離通信，用無人機(jī)進(jìn)行危險(xiǎn)區(qū)域監(jiān)測(cè)，有人機(jī)進(jìn)行滅火工作；基于近地面監(jiān)測(cè)手段，進(jìn)行態(tài)勢(shì)感知，瞭望臺(tái)可進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)指揮和通信，遠(yuǎn)程視頻則進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和指揮；地面巡視人員則根據(jù)火險(xiǎn)預(yù)報(bào)等級(jí)進(jìn)行關(guān)鍵時(shí)期的防火工作；利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對(duì)林火監(jiān)測(cè)技術(shù)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)共享和融合，實(shí)現(xiàn)全方位的林火監(jiān)測(cè)。

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